新型煤气化制甲醇实训仿真工厂设计

王和，侯平智，吴锋

（1.新疆独山子克拉玛依职业技术学院，新疆 克拉玛依833600；2.杭州电子科技大学 自动化学院，杭州310018）

煤化工行业在中国国民经济中的地位是非常重要的，其工艺设备逐渐大型化，自动控制水平也越来越高，对生产运行人员的操作能力与水平有了更高的要求。但由于生产装置必须保证安全、稳定、长周期、优化运行，在实际生产过程中不可能依靠实际生产装置来提高和培训运行人员的操作技能。发达国家的经验表明，运用仿真工厂进行煤化工技能培训是最有效的方法之一［1－2］。

从小型冷模装置、缩小型流程生产装置、半实物仿真装置，逐渐发展到目前的煤化工仿真工厂，主要是由目前的煤气化制甲醇实训操作所面临的现状决定的：装置体积庞大、造价昂贵，难以进课堂；煤化工生产装置的日益大型化、复杂化，安全问题日益突出；实训内容与实训手段难以满足实际需要［3－7］。

为了促进国内煤化工行业职业教育的发展，由内蒙古化工职业学院等多家单位的教学科技人员合作，以“校中厂”实训基地的理念为设计指导思想［8－9］，以国内第一条投产运行的“咸阳化学工业公司德士古气化炉工艺的单线600kt／a新型煤气化制甲醇实际工厂”为参照［10－13］，研究、设计并实现了新型煤气化制甲醇实训仿真工厂。

1 设计思路

新型煤气化制甲醇实训仿真工厂需要将职业技能培训与鉴定相结合，实训装置的硬件与技能训练仿真软件相结合，对现代煤化工工艺过程、动态操作、自动检测传感装置及DCS进行仿真模拟。

为此，在真实体现实际工厂工艺流程的基础上，省略工业流程中的一些辅助工序、辅助设备，同时对重要工序、重要设备进行了强化，以加深学生对煤制甲醇工业化装置的了解。将工业装置中大型设备如塔器、反应器、储槽、换热器、输送设备等在保持原设备的结构特点下按一定比例缩小，通过连接真实管路、手动阀门、控制阀门及压力、流量、温度、物位、功率、成分和阀位测控传感器等，组成煤制甲醇全流程装置。

该仿真工厂能模拟工业生产的真实环境，能进行煤气化制甲醇生产工艺的冷态开车、热态开车、正常运行、正常停车、紧急停车、设备维护等方面的技能操作训练和工艺指标控制操作技能训练；还能通过安全手段设置各类故障，使学员能够处理各类紧急状况，进行生产过程操作、分析，排除工业生产过程故障。

仿真工厂的流程仿真软件按照工业现场设备和流程进行模拟仿真，同时对重点设备的内部结构、工作原理深入地剖析。通过机理建模建立“虚拟工厂”，可自上而下地实现对工厂过程和控制逻辑的动态模拟。仿真软件的动态模型真实地再现了实际工业流程状态和行为，实时准确地模拟工艺现场，模拟真实故障。

2 煤化工仿真工厂总体结构设计

基于上述思路，该煤气化制甲醇实训仿真工厂总体结构由三大部分组成：流程工艺实训操作系统、仿真培训软件系统（OTS）和DCS中控室系统，如图1所示。

图1 煤气化制甲醇实训仿真工厂总体结构

流程工艺实训操作系统模拟工业生产的真实环境，由若干工段组成：煤浆制备工段、气化工段、变换工段、净化工段、甲醇合成工段、甲醇精馏工段、硫回收工段。

OTS按照工业现场设备和流程进行模拟仿真，同时对重点设备的内部结构、工作原理进行深入地剖析；另外还能依靠组分数据库、热力学模块、设备模型库，为操作员培训提供精确而可靠的动态模拟。

DCS中控室系统为仿真控制中心，由现场控制站、工程师站上位监控系统、视频监控及大屏幕系统、仿真培训软件模型机系统组成。

3 煤化工仿真工厂的组成与功能设计

3.1 组成设计

煤化工仿真工厂区别于传统实训装置，装置规模大、设备管路呈三维空间分布。根据系统结构设计要求，煤化工仿真工厂的结构如图2所示。

3.2 功能设计

煤化工仿真工厂的功能设计能够体现煤气化制甲醇基本生产工艺流程及设备组成，满足工艺操作训练要求和设备操作训练要求，能够安全、长周期运行，满足企业多班制连续操作实习要求；主体设备关键部件内部结构可视，便于学生对设备内部结构的了解；能进行开停车操作、正常工况操作、事故处理操作等。检测控制工艺参数同煤制甲醇系统工艺参数一致，并可同仿真系统互动联系，体现真实工艺流程运行参数。

图2 仿真工厂的结构示意

该仿真工厂所拥有的煤制甲醇－二甲醚冷态模拟培训既具备离线仿真培训功能，也具备在线仿真培训功能。学员可以脱离工艺流程实训操作系统进行离线仿真培训，也可基于工艺流程实训操作系统进行在线仿真实训。当学员进行离线仿真培训时，系统数据仅在学员站和OTS间传递。OTS服务器基于OPC通信协议接收学员站操作指令并进行动态模型计算，同时将运算结果传递给学员站的监控画面加以显示。当学员进行在线仿真培训时，系统数据在学员站，OTS，DCS，工艺流程实训操作系统间传递。

来自学员站的控制指令，通过DCS工程师站传递给DCS控制站并转换成标准信号控制相应执行机构动作，同时执行机构的反馈信号通过DCS传递给OTS以便进行动态模型运算。来自就地电气仪表控制柜的控制操作，经转换成标准信号后控制相应执行机构动作，同时执行机构的反馈信号通过DCS传递给OTS以便进行动态模型运算。来自就地手动的控制操作，经执行机构的反馈信号通过DCS传递给OTS以便进行动态模型运算。OTS的运算结果，一方面通过OPC协议在学员站加以显示，另一方面又通过DCS转变成标准信号在就地数字或模拟仪表中加以显示。

4 煤化工仿真工厂特点

新型煤气化制甲醇实训仿真工厂具有下列特点：

1）既能使学员了解和掌握正常工况下各个相关流程的操作和维护，能进行新型煤气化制甲醇化工工艺的冷热开车、热态开车、正常运行、正常停车、紧急停车、设备维护等方面的技能操作训练，工艺指标控制操作技能训练；又能通过安全手段设置各类故障，使学员能够处理各类紧急状况，进行生产过程操作、分析，排除工业生产过程故障。

2）仿真软件系统按照工业现场设备、流程、重点设备的内部结构和工作原理进行模拟仿真。仿真软件的动态模型真实地再现实际工业流程状态和行为，实时准确地模拟工艺现场，模拟真实故障。

3）仿真软件系统动态过程模拟软件依靠组分数据库、热力学模块、设备模型库，为操作员培训系统提供精确而可靠的动态模拟，建立了基于严格机理的模拟器组件模型，并对其动态精度进行了实时优化。

4）仿真软件系统通过模拟测控系统、DCS和数学模型，使装置与仿真软件联合成一体，创造性地将企业的真实生产工艺装置操作和OTS仿真软件及DCS模拟环境进行全流程的互动，将真实工厂的操作培训引入学校，建立了教、学、做、考四位一体的校中工厂。

5）替代传统纯仿真实训，实现了技能实践、认识实习、生产实习、毕业实训及岗前模拟训练，促进了国内工程实践职业教育发展，使得企业员工职业技能提高。

5 结束语

该新型煤气化制甲醇仿真工厂已在内蒙古化工职业学院投入使用。在实训过程中，现场操作的视觉、触觉、听觉感受与实际装置接近；学员对仿真工厂系统给予了很高的评价。

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